В данной статье описываются различные этапы работы, связанные с преобразованием котла с ручным управлением в полностью автоматизированный. Методы автоматизации становятся все более полезными в качестве альтернативы традиционным методам. Они используются для решения сложных практических задач и сегодня пользуются большой популярностью.
За прошедшие годы в условиях глобализации возрос спрос на высококачественные, более эффективные и автоматизированные шкафы управления. Начальный этап статьи посвящен подаче входных сигналов в котел при требуемой температуре для постоянного поддержания определенной температуры внутри котла. В этом процессе помогают воздухоподогреватель и экономайзер. Основное внимание в статье уделяется контролю уровня, давления и расхода на различных этапах работы котельной установки. Таким образом, температура в котле постоянно контролируется и поддерживается на постоянном уровне, необходимом для работы электростанции.
Автоматизация дополнительно повышается за счет постоянного мониторинга с помощью SCADA-экрана, подключенного к ПЛК посредством коммуникационного кабеля. С помощью заданных значений тегов для различных переменных в SCADA весь процесс контролируется в соответствии с требованиями. На автоматизированной электростанции котел управляется частотно-регулируемым приводом (ЧРП) для запуска необходимых процессов. Таким образом, весь цикл представлен в виде документа, и на различных этапах подробно описана каждая фаза. Данный документ оказался очень эффективным на практике, поскольку потребность в автоматизации растет с каждым днем.
В этом проекте описывается проектирование и разработка системы автоматизации котла с использованием ПЛК и датчиков. В документе описываются различные этапы работы, связанные с преобразованием котла с ручным управлением в полностью автоматизированный котел. С годами в условиях глобализации возрос спрос на высококачественные, более эффективные и автоматизированные машины. Начальный этап документа посвящен подаче входных сигналов в котел при требуемой температуре для постоянного поддержания определенной температуры в котле. В данной статье представлен базовый подход к переходу к автоматизации на более высоком уровне и полной цифровизации промышленности для получения эффективных результатов в кратчайшие сроки.
За прошедшие годы в промышленном секторе электростанций возрос спрос на высококачественные, более эффективные и автоматизированные шкафы управления. Электростанции требуют непрерывного мониторинга и инспекций с частыми интервалами. Существуют возможности ошибок на этапах измерений и на различных этапах, связанных с участием человека, а также некоторые недостатки микроконтроллеров. Таким образом, в данной статье предпринята искренняя попытка объяснить преимущества, которые компании получат от внедрения автоматизации.
Управление котлом, являющимся важнейшей частью любой электростанции или котельной, и его автоматизация являются предметом данного исследования. Для автоматизации электростанции и минимизации вмешательства человека необходимо разработать систему SCADA (систему диспетчерского управления и сбора данных), которая будет контролировать работу котельной и помогать снижать количество ошибок, вызванных человеческим фактором. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используются для хранения инструкций, реализующих такие функции, как логика, последовательность действий, синхронизация, подсчет и арифметические операции, а также для управления различными процессами на станках с помощью цифровых или аналоговых модулей ввода/вывода. SCADA используется для мониторинга системы. В таких отраслях, как энергетика, транспорт, нефтегазопереработка, водоснабжение и водоотведение, а также телекоммуникации, системы используются для мониторинга и управления предприятием или оборудованием.
Конструкция котла
Корпус жаротрубного котла заполнен водой, а трубы расположены горизонтально. Водонагревательный бак имеет достаточный объем для хранения пара и заполнен водой лишь частично. Дымоходы представляют собой длинные горизонтальные трубы, которые нагревают воду, транспортируя горячие продукты сгорания через водонагревательный бак. Путь горячих газов продолжается через топку, расположенную на одном конце жаротрубного бака.
Водотрубный котел
Эти вертикальные трубы, известные как стояки, идут от водонагревательного барабана в нижней части котла к паронагревателям в верхней части котла. В водотрубных котлах трубы расположены вертикально в топке, и вода протекает через эти трубы, нагреваясь по мере прохождения. Поскольку пар и вода под высоким давлением находятся в трубах меньшего диаметра, способных выдерживать высокое давление, водотрубные котлы рекомендуются для применения в системах высокого давления.
Котел с перегретым паром
Повторный нагрев пара, образующегося в котле, приводит к образованию перегретого пара, который отличается от исходного пара, известного как насыщенный пар, тем, что содержит водяной пар и конденсируется медленнее, чем насыщенный пар. В секции перегревателя температура пара повышается примерно до 370 градусов Цельсия, но его давление остается постоянным. Поскольку перегретый пар полностью удаляет все капли, он в основном используется для привода турбин.
Промышленный контроллер
ПЛК — это мощные промышленные компьютеры, предназначенные для выполнения задач управления. ПЛК в основном используются в котельных системах для:
• Мониторинга параметров: давления, температуры, расхода топлива, уровня воды.
• Управления исполнительными механизмами: клапанами, насосами, горелками.
• Выполнения блокировок безопасности: аварийных остановок, сигналов тревоги.
• Реализации последовательностей: процедур запуска и остановки котла.
ПЛК обеспечивают управление в реальном времени, модульность и высокую надежность, что делает их идеальными для промышленных условий. Центральный процессор (ЦП), память, модули ввода, модули вывода и источник питания составляют программируемый логический контроллер (ПЛК). Терминал программирования не является частью ПЛК, но он необходим для программирования или мониторинга ПЛК. На схеме стрелки между блоками указывают направление потока информации и энергии.
Шкаф управления котлом в автоматическом режиме
Для автоматизации электростанции и снижения человеческих ошибок необходимо разработать систему ПЛК и SCADA, которая минимизирует человеческие ошибки. ПЛК и SCADA взаимодействуют через коммуникационные кабели, при этом SCADA использует различные датчики для мониторинга температуры, давления и уровня воды в котле, а ПЛК получает соответствующие выходные данные.
Рассмотрим шкаф управления и автоматизации котла, который состоит из ПЛК, SCADA и датчиков для мониторинга и управления всей работой котла. Здесь температура измеряется с помощью резистивного термометра Pt 100 (RTD PT 100), внутреннее давление в котле измеряется с помощью реле давления RT, а уровень питательной воды в котле определяется поплавковыми выключателями. Они измеряют температуру. Расход поддерживается на уровне 130% в одном насосе и 75% в другом. Таким образом, поломка любой из труб не влияет на работу котла.
Для включения нагревателя используется ПЛК. Датчики контролируют соответствующее давление и температуру. Важным фактором в производстве пара является вода. Сначала включается кнопка, затем ПЛК, SCADA и несколько датчиков. Для включения насоса питательной воды используется переключатель насоса питательной воды. Для рекуперации тепла из отходящих газов путем передачи его воде, вода из водонагревательного бака поступает по двум параллельным трубам в котел, а затем через экономайзер. Нагретая вода затем прокачивается через водонагревательный барабан и пар. Вода должна содержаться в нем не менее 50%. Поплавковые выключатели используются для определения уровня воды. Они обнаруживают изменения уровня и передают соответствующий управляющий сигнал ПЛК, когда уровень ниже или выше 50%. Таким образом, путем правильной настройки ПИД-регулятора уровень воды может поддерживаться на уровне 50% независимо от изменений возмущенной переменной. Более 75% воды в водонагревательном барабане хранится именно там. Двигатель включится, когда уровень воды упадет ниже 2000 литров. Вся система будет выключена, если внутренняя температура и давление котла поднимутся выше допустимых значений. Для предотвращения катастрофических отказов открываются соответствующие автоматические обратные клапаны.
Варианты регулирования температуры
Шкаф управления контролирует: температуру питательной воды, температуру принудительной тяги, температуру дымовых газов, температуру парового барабана и температуру котла под основанием.
Варианты регулирования давления включают давление дымовых газов, давление парового барабана, давление пара на входе в турбину, давление принудительной тяги и давление принудительной тяги.
По сути, котел представляет собой закрытый сосуд, который нагревает воду до тех пор, пока она не превратится в пар при необходимом давлении. Котлы бывают двух основных типов: жаротрубные и водотрубные. Первоначально в топке сжигается топливо, обычно уголь, образуя горячие газы. Когда эти нагретые газы контактируют с сосудом с водой, их тепло передается воде, что приводит к образованию пара в котле. После этого пар подается в турбину тепловой электростанции. Котлы бывают самых разных типов и используются для различных задач, таких как нагрев окружающего воздуха, стерилизация оборудования, дезинфекция определенной зоны и работа производственного блока.
Датчик температуры
Для обнаружения изменений температуры используется резистивный датчик температуры (RTD PT 100). Этот пассивный элемент цепи демонстрирует предсказуемое увеличение сопротивления с повышением температуры. Прецизионный платиновый резистор с сопротивлением 100 Ом при 0°C называется PT-100. Необходимо преобразовать сопротивление в напряжение и использовать это значение для управления дифференциальным усилителем на входе, чтобы измерить сопротивление. Дифференциальный усилитель на входе будет подавлять синфазный шум на выводах терморезистора и обеспечивать максимальную чувствительность по напряжению.
Два распространенных метода измерения сигнала терморезистора — это подключение терморезистора к одной из ветвей моста Уитстона, активируемого непрерывным опорным напряжением, или его последовательное подключение к прецизионному источнику опорного тока и измерение соответствующего падения напряжения IR.
Датчик давления
Внутреннее давление котла измеряется с помощью реле давления RT. В реле давления серии RT в качестве чувствительного элемента используется бесшовный сильфон. Для работы с различными типами технологических сред сильфон может быть изготовлен из нержавеющей стали или фосфористой бронзы. Механизм размещен в корпусе IP66 (защищенном от атмосферных воздействий), изготовленном из литого алюминия (DMC). Диапазон давления составляет от -1 до 30 бар.
Поплавковые выключатели
Одним из инструментов определения уровня жидкости в резервуаре является поплавковый выключатель. Выключатель может использоваться насосом, индикатором, сигнализацией и другими устройствами. Поплавковые выключатели выпускаются различных размеров и могут быть как простыми, например, ртутный выключатель в шарнирном поплавке, так и сложными, включающими ряд оптических или кондуктометрических датчиков, которые выдают различные сигналы при достижении уровня жидкости в резервуаре.
В данной статье температура, давление и уровень воды измеряются с помощью различных датчиков. Для управления системой используется ПЛК, а для мониторинга параметров — SCADA-система. Вся система отключится, и автоматические обратные клапаны откроются для сброса пара и давления, если температура и давление превысят заданный порог. Для предотвращения катастрофических сбоев в случае аварии автоматические обратные клапаны откроются, и сработает сигнализация.
Для моделирования лестничной диаграммы ПЛК Delta используется программное обеспечение WPL Soft, а для моделирования архитектуры SCADA системы автоматизации котла — программное обеспечение InTouch Wonderware. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на прикладном развертывании интернет-соединения SCADA для удаленного мониторинга автоматизации котлов.
Заключение и перспективы
ПЛК и шкаф управления интегрированы в системы автоматизации промышленных котлов, что является значительным шагом вперед в стремлении к операционному совершенству и интеллектуальному производству. В данном исследовании подробно рассмотрено, как эти технологии, каждая из которых сильна сама по себе, работают вместе, создавая системы, которые являются долговечными, надежными, адаптивными, прогнозными и энергоэффективными.
Один из главных выводов исследования заключается в том, что ПЛК остаются основой промышленного управления благодаря их быстрому реагированию в реальном времени, надежности и детерминированному выполнению. Система в целом становится интеллектуальной и способной справляться со сложностью, с которой традиционная автоматизация на основе правил не может справиться самостоятельно, благодаря вкладу ИИ в виде функций более высокого порядка, таких как распознавание образов, прогнозная аналитика и самооптимизация. Каждая технология усиливает другие в многоуровневой архитектуре управления, которая возникает в результате их комбинации. Исследование продемонстрировало возможность внедрения систем ПЛК с поддержкой автоматики в промышленных условиях путем анализа типов котлов, требований к управлению и факторов проектирования системы. Примеры из таких отраслей, как пищевая промышленность, химическое производство и энергетика, показывают очевидные преимущества, такие как снижение уровня загрязнения, уменьшение расхода топлива, повышение безопасности и увеличение времени безотказной работы благодаря прогнозируемому техническому обслуживанию.
Несмотря на эти преимущества, проект также отмечает ряд проблем внедрения. К ним относятся преодоление сопротивления технологическим изменениям, обеспечение связи в реальном времени между модулями ПЛК, а также необходимость высококачественных исторических данных для обучения моделей управленния. Кроме того, первоначальные инвестиционные затраты, кибербезопасность и соблюдение отраслевых стандартов остаются основными препятствиями для широкого внедрения. Исследование предполагает разработку полностью автономных систем управления котлами в будущем, когда периферийные вычисления, цифровые двойники и сложные человеко-машинные интерфейсы позволят автоматике взять на себя больше функций управления.
Для сокращения дефицита квалифицированных кадров и подготовки следующего поколения инженеров по автоматизации необходимо сотрудничество между промышленными предприятиями и образовательными учреждениями, а также ожидается изменение нормативно-правовой базы для поддержки и направления этих достижений. В заключение, данное исследование показывает, как искусственный интеллект и ПЛК могут взаимодействовать для преобразования автоматизации промышленных котлов. Эффективное проектирование и внедрение таких систем может привести к повышению безопасности, интеллектуальности и экологичности промышленных операций. Хотя процесс полной интеграции еще не завершен, основа для этого прочна, и интеллектуальное управление котлами имеет светлое и неизбежное будущее.